Impulscodierung für optische Satellitenkommunikation

Forschungsprojekt P 13998Impulscodierung für optische SatellitenkommunikationPeter J. WINZER24.01.2000 Zuverlässige optische Kommunikationsverbindungen zwischen Satelliten einigen Gbit/s werden die Grundlage für die breitbandigen globalen Kommunikationsnetzwerke der Zukunft bilden, was hauptsächlich auf die hohe Kommunikationsbandbreite geringe Strahldivergenz bei optischen Frequenzen zurückzuführen ist. Da die im Verfügung stehende Leistung äußerst begrenzt ist, müssen die optischen Datenempfänger so empfindlich wie möglich realisiert werden - wobei stets Zuverlässigkeit, Kostenpunkt und Eignung für Weltraumbedingungen zu berücksichtigen sind. Neuere theoretische Untersuchungen haben gezeigt, daß optische Amplitudenmodulation (on/off keying, OOK) in Kombination mit Impulscodierung (return-to-zero, RZ) ein für die Weltraumkommunikation vielversprechendes Modulationsverfahren darstellt. Es gibt starke Anzeichen dafür, daß, verglichen mit konventioneller Amplitudenmodulation (non return-to-zero, NRZ), RZ-codierte OOK eine Empfindlichkeitssteigerung um einige dB mit sich bringt, und zwar selbst dann, wenn der schmalbandigere, für NRZ entworfene Empfänger Verwendung findet. Diese Empfindlichkeitssteigerung, so sagt es die Theorie voraus, sollte bereits bei moderaten RZ Tastverhältnissen voll ausgeschöpft sein, was das Konzept der Impulscodierung vor allem vom technologischen Standpunkt aus besonders attraktiv macht. Im Rahmen dieses Projekts soll die theoretisch mittels eines vereinfachenden analytischen Modells vorhergesagte Empfindlichkeitssteigerung mit Hilfe von Computersimulationen untersucht werden, wobei sowohl der Effekt der Intersymbolinterferenz (ISI) als auch beliebige Mischungen von signalabhängigem und signalunabhängigem Rauschen berücksichtigt werden sollen. Die Simulationen sollen von einer experimentellen Verifikation begleitet und ergänzt werden, wobei ein optisch vorverstärkter Empfänger bei einer Wellenlänge von 1,55 Mikrometer und einer Datenrate von 2,5Gbit/s zum Einsatz kommen soll. Weiters soll die Brauchbarkeit konventioneller (kommerziell erhältlicher) Taktrückgewinnungsschaltungen und Datenregeneratoren für NRZ- Amplitudenmodulation untersucht werden. Ebenso soll die maximal Datenrate, bei der RZ-Codierung in einem praktischen Aufbau noch Empfindlichkeitsverbesserungen gegenüber NRZ erkennen läßt, ermittelt werden.

Die optische Datenübertragung zwischen Satelliten mit Datenraten von mehreren Gbit/s wird eine Basis zukünftiger Breitbandnetze bilden. Der Grund dafür liegt vor allem in der bei Verwendung optischer Trägerfrequenzen extrem hohen Datenrate und der sehr geringen Strahldivergenz. Eine der Herausforderungen bei optischen Verbindungen zwischen Satelliten ist die Bereitstellung von ausreichend hoher Sendeleistung: einerseits besteht weder die Möglichkeit, das Signal am Weg zwischen Sender und Empfänger zu verstärken (wie das in terrestrischen Glasfasersystemen der Fall ist), andererseits ist die zur Verfügung stehende Primärleistung auf Satelliten ein kostbares Gut. Man muss daher den Empfänger so empfindlich wie nur möglich machen - unter der zusätzlichen Randbedingungen von hoher Verlässlichkeit und guter Wirtschaftlichkeit bei gleichzeitiger Weltraumtauglichkeit. Unter der Vielzahl von denkbaren Übertragungssystemen erweist sich eines mit optisch vorverstärktem Direktempfang und sogenannte on/off Modulation (OOK) als optimal, wenn man an eine baldige Realisierung eines optischen Übertragung zwischen Satelliten denkt. Vor Beginn des Forschungsprojektes gab es Hinweise, dass sich durch die Verwendung von sogenannter return-to-zero (RZ) Codierung am Sender eine beträchtliche Steigerung der Empfindlichkeit am Empfänger erzielen läßt. Das RZ Format würde sich auch mit einer vermuteten Eigenschaft von optischen Leistungsverstärkern gut vertragen, nämlich der Begrenzung der Ausgangsleistung durch ihren Mittelwert. In der Verfolgung dieses Gedankens haben wir daher zunächst das dynamische Verhalten von Erbium-dotierten Glasfaserverstärkern (EDFA) untersucht. Dieser optische Verstärkertyp ist für den Einsatz in Sendemodulen für die optische Freiraumkommunikation vorgesehen. Wir haben die Dynamik der Verstärkung eines EDFA theoretisch analysiert und konnten zeigen, dass dieser Verstärker in der Tat mittelwertbegrenzt ist, sofern die Pulswiederholrate oberhalb eines bestimmten Schwellwertes liegt. Für Leistungsverstärker berechneten wir diese Wert zu 1 Mbit/s, ausreichen weit unterhalb der typischen Datenraten im Gbit/s-Bereich. Diese Ergebnisse konnten wir auch im Experiment bestätigen. In der Folge untersuchten wir die Empfindlichkeit von optisch vorverstärkten Direktempfängern im Fall von RZ- codierten Eingangssignalen und fanden ein Verbesserung um etwa 1-2 dB in Bezug auf herkömmliche, sogenannte non-return-to-zero (NRZ) Codierung. Das optimale RZ-Tastverhältnis liegt bei 33%. Sowohl Simulation als auch Messungen zeigten, dass das Übertragungssystem bei RZ-Codierung toleranter hinsichtlich suboptimaler Wahl von optischer und elektrischer Filterbandbreite ist. Bei Berücksichtigung des endlichen Auslöschungsververhältnis von kommerziell verfügbaren optischen Modulatoren erwies sich die Modulation eines periodischen Impulszuges als die günstigste Methode zur Erzeugung von RZ-codierten Signalen. Durch sorgfältige Optimierung des Empfängers erreichten wir bei einer Datenrate von 10 Gbit/s im Experiment eine Empfindlichkeit, die nur 1.4 dB über dem durch die Quantennatur gegebenen Minimalwert lag. Für das verwendete Übertragungsschema bedeutet dies einen Weltrekord.